https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/74817 2026-11-08T22:46:40Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277202 Avaliação técnica dos fenômenos transientes de uma central fotovoltaica de produção de hidrogênio verde Cassol, Gabriel Raimondi O avanço da transição energética e a necessidade de redução das emissões de gases de efeito estufa têm impulsionado a integração de fontes renováveis na matriz energética global. Nesse contexto, o hidrogênio verde destaca-se como um vetor energético estratégico, permitindo o armazenamento de energia e contribuindo para a descarbonização de diversos setores. Entre as rotas de produção, a eletrólise da água alimentada por sistemas fotovoltaicos apresenta elevado potencial, embora a intermitência da geração solar imponha desafios operacionais significativos, especialmente relacionados aos regimes transientes da produção de hidrogênio. Assim, este trabalho apresenta a modelagem e a análise dinâmica de uma central fotovoltaica para produção de hidrogênio verde utilizando eletrolisador alcalino, considerando dados meteorológicos reais com resolução temporal de um minuto para a cidade de Florianópolis?SC. O modelo desenvolvido integra arranjo fotovoltaico, banco de baterias, eletrolisador alcalino, sistema de compressão e armazenamento de hidrogênio, permitindo avaliar o comportamento transiente global da planta. O sistema fotovoltaico foi modelado a partir do modelo de cinco parâmetros, incorporando efeitos térmicos e diferentes associações série-paralelo. O eletrolisador alcalino foi representado pela formulação empírica corrente?tensão proposta por Ulleberg (1998), incluindo modelagem eletroquímica, eficiência de Faraday e balanço térmico transiente. O compressor foi modelado por meio de compressão politrópica multiestágios com resfriamento intermediário, contemplando os efeitos termodinâmicos do processo. Os modelos implementados foram validados com dados da literatura, apresentando boa concordância para os subsistemas fotovoltaico, eletrolisador, compressor e banco de baterias. Foram avaliadas diferentes configurações operacionais, incluindo cenários com e sem armazenamento em baterias e estratégias de controle voltadas à suavização das oscilações de potência fornecida ao eletrolisador. Os resultados demonstraram que a utilização de baterias associada às estratégias de controle reduz significativamente as oscilações operacionais, aumenta o tempo de operação em regime nominal e diminui os ciclos de acionamento e desligamento do eletrolisador, promovendo maior estabilidade operacional. Além disso, verificou-se que o uso de dados meteorológicos com resolução de um minuto é fundamental para representar adequadamente os efeitos da intermitência solar, evidenciando diferenças relevantes em relação a simulações com dados horários. Dessa forma, o trabalho fornece subsídios técnicos para o dimensionamento e a operação de sistemas fotovoltaicos dedicados à produção de hidrogênio verde sob condições reais de variabilidade climática.; Abstract: The progress of the energy transition and the need to reduce greenhouse gas emissions have driven the integration of renewable sources into the global energy mix. In this context, green hydrogen stands out as a strategic energy carrier, enabling energy storage and contributing to the decarbonization of various sectors. Among production pathways, water electrolysis powered by photovoltaic systems shows great potential, although the intermittency of solar generation poses significant operational challenges, particularly regarding the transient regimes of hydrogen production. Thus, this study presents the modeling and dynamic analysis of a photovoltaic plant for green hydrogen production using an alkaline electrolyzer, utilizing real meteorological data with one-minute temporal resolution for the city of Florianópolis, SC. ??The developed model integrates a photovoltaic array, a battery bank, an alkaline electrolyzer, and a hydrogen compression and storage system, allowing for the assessment of the plant's overall transient behavior. The photovoltaic system was modeled using the five-parameter model, incorporating thermal effects and various series-parallel configurations. The alkaline electrolyzer was represented by the empirical current-voltage formulation proposed by Ulleberg (1998), including electrochemical modeling, Faraday efficiency, and a transient thermal balance. The compressor was modeled using multistage polytropic compression with intercooling, accounting for the thermodynamic effects of the process. The implemented models were validated against literature data, showing good agreement for the photovoltaic, electrolyzer, compressor, and battery bank subsystems. Different operational configurations were evaluated, including scenarios with and without battery storage and control strategies aimed at smoothing power fluctuations supplied to the electrolyzer. The results demonstrated that the use of batteries, combined with control strategies, significantly reduces operational fluctuations, extends operation at nominal capacity, and decreases electrolyzer start-stop cycles, thereby enhancing operational stability. Furthermore, the study found that using meteorological data with one-minute resolution is crucial for accurately representing the effects of solar intermittency, revealing significant differences compared to simulations based on hourly data. Thus, this work provides technical insights for the sizing and operation of photovoltaic systems dedicated to green hydrogen production under real-world weather variability. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277197 Multiscale surface characterisation of ultra-precision turned aluminium mirrors focused on mid and high spatial frequency using power spectrum density Lavaqui, Fellipe Augusto Filipim Espelhos de alumínio são amplamente utilizados em sistemas ópticos que operam desde as regiões espectrais do ultravioleta até ao infravermelho, devido à sua baixa densidade, elevada reflectância em uma ampla faixa espectral e propriedades térmicas favoráveis. A usinagem de ultraprecisão com diamante permite a fabricação directa de componentes ópticos de alumínio com rugosidade em escala nanométrica e elevada precisão de forma. No entanto, o processo de usinagem introduz características superficiais ao longo de uma ampla faixa de frequências espaciais, incluindo marcas de torneamento, assinaturas microestruturais e padrões anisotrópicos herdados da rota de fabricação do material. Essas irregularidades superficiais afectam o comportamento de espalhamento da luz e podem degradar significativamente o desempenho óptico de componentes destinados a aplicações nas regiões visível e ultravioleta. Parâmetros convencionais de rugosidade são frequentemente insuficientes para descrever esses efeitos, pois não consideram a distribuição espectral da topografia superficial. Este trabalho investiga a influência dos parâmetros de usinagem, da microestrutura do material e da anisotropia induzida pela extrusão na geração de espelhos de alumínio usinados por ultraprecisão para aplicações ópticas. Particular atenção é dada à correlação entre as assinaturas de fabricação, a topografia superficial e o comportamento do espalhamento óptico. Experimentos de usinagem com diamante foram realizados em ligas de alumínio solidificadas rapidamente e em ligas de alumínio convencionais, considerando tanto orientações longitudinais quanto transversais em relação à direção de extrusão. A caracterização superficial foi realizada por meio de microscopia de força atómica e interferometria de luz branca, permitindo a avaliação das características topográficas em múltiplas escalas espaciais. Foi desenvolvida uma metodologia multiescala baseada na análise da densidade espectral de potência (Power Spectral Density, PSD) para caracterizar as assinaturas superficiais além das métricas convencionais de rugosidade. Funções de densidade espectral de potência unidimensionais e bidimensionais, espectros com média azimutal, cálculos da densidade espectral de potência azimutal mestre e análises de rugosidade acumulada foram empregados para identificar as contribuições dos componentes de baixa, média e alta frequência espacial. Análises estatísticas baseadas em análise de variância (ANOVA) foram utilizadas para quantificar a significância dos parâmetros de usinagem e dos factores relacionados ao material nos mecanismos de geração da superfície. Além disso, cálculos de espalhamento integrado total (Total Integrated Scatter, TIS) foram implementados para estimar o impacto óptico das topografias medidas e avaliar a dependência das perdas por espalhamento em relação ao comprimento de onda. Os resultados demonstraram que o avanço foi o parâmetro de usinagem com maior influência sobre a qualidade superficial. Os parâmetros de rugosidade, isoladamente, mostraram-se inadequados para distinguir superfícies com amplitudes semelhantes, mas com conteúdos espectrais significativamente diferentes. As análises espectrais revelaram que as estruturas em forma de flocos induzidas pela extrusão contribuem predominantemente para o regime de médias frequências espaciais, enquanto características microestruturais mais finas estão associadas a componentes de alta frequência espacial. Esses efeitos foram particularmente evidentes em secções longitudinais de materiais extrudados. As análises de espalhamento integrado total indicaram que o desempenho óptico depende não apenas da magnitude da rugosidade superficial, mas também da sua distribuição espectral. Características de alta frequência espacial governam o comportamento do espalhamento na faixa espectral visível, enquanto erros de média frequência espacial se tornam progressivamente mais relevantes nos comprimentos de onda do infravermelho próximo e médio. Entre os materiais investigados, o RSA-902 usinado na direção transversal apresentou as características espectrais mais favoráveis, combinando baixas contribuições de médias e altas frequências espaciais com os menores valores de espalhamento integrado total em uma ampla faixa de comprimentos de onda. A metodologia proposta fornece uma estrutura abrangente para relacionar as assinaturas de fabricação ao desempenho óptico, oferecendo diretrizes práticas para a optimização do processo, a selecção de materiais e a tradução dos requisitos ópticos em especificações de fabricação para espelhos de alumínio de alto desempenho.; Abstract: Aluminium mirrors are widely employed in optical systems operating from the ultraviolet to the infrared spectral regions due to their low density, high broadband reflectance and favourable thermal properties. Ultra-precision diamond turning enables the direct fabrication of aluminium optical components with nanometre-scale roughness and high form accuracy. Nevertheless, the machining process introduces surface features over a broad range of spatial frequencies, including turning marks, microstructural signatures, and anisotropic patterns inherited from the manufacturing route of the material. These surface deviations affect light scattering behaviour and may significantly degrade the optical performance of components intended for visible and ultraviolet applications. Conventional roughness parameters are often insufficient to describe these effects because they do not account for the spectral distribution of surface topography. This work investigates the influence of machining parameters, material microstructure, and extrusion-induced anisotropy on the generation of ultra-precision machined aluminium mirrors for optical applications. Particular emphasis is given to the correlation between manufacturing signatures, surface topography, and optical scattering behaviour. Diamond turning experiments were conducted on rapidly solidified aluminium alloys and conventional aluminium alloys considering both longitudinal and transverse orientations relative to the extrusion direction. Surface characterisation was performed using atomic force microscopy and white light interferometry, allowing the evaluation of topographic features over multiple spatial scales. A multiscale methodology based on power spectral density analysis was developed to characterise surface signatures beyond conventional roughness metrics. One-dimensional and two dimensional power spectral density functions, azimuthally averaged spectra, master azimuthal power spectral density calculations, and cumulative roughness analyses were employed to identify the contributions of low-, mid-, and high-spatial-frequency components. Statistical analyses based on analysis of variance were used to quantify the significance of machining parameters and material-related factors on surface generation mechanisms. Furthermore, total integrated scatter calculations were implemented to estimate the optical impact of the measured topographies and to assess the dependence of scattering losses on wavelength. The results demonstrated that feed was the dominant machining parameter affecting surface quality. Surface roughness parameters alone were found to be inadequate for distinguishing surfaces with similar amplitudes but substantially different spectral contents. The spectral analyses revealed that extrusion-induced flake-like structures predominantly contribute to the mid spatial-frequency regime, while finer microstructural features are associated with high-spatial frequency components. These effects were particularly evident in longitudinal sections of extruded materials. Total integrated scatter analyses indicated that optical performance depends not only on the magnitude of surface roughness but also on its spectral distribution. High spatial-frequency features govern scattering behaviour in the visible spectral range, whereas mid-spatial-frequency errors become increasingly relevant at near- and mid-infrared wavelengths. Among the investigated materials, RSA-902 machined in the transverse direction exhibited the most favourable spectral characteristics, combining low mid- and high-spatial frequency contributions with the lowest total integrated scatter values over a broad wavelength interval. The proposed methodology provides a comprehensive framework for relating manufacturing signatures to optical performance, offering practical guidelines for process optimisation, material selection, and the translation of optical requirements into manufacturing specifications for high-performance aluminium mirrors. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277160 Reverse engineering protocol to investigate in vivo fracture of non-modular femoral stems due to patient-related factors in primary total hip arthroplasty Velasco-Parra, Jorge Antonio A artroplastia total do quadril (ATQ) é amplamente realizada, com aumento contínuo das cirurgias primárias e de revisão. Embora a fratura da haste femoral seja rara, sua ocorrência em hastes primárias não modulares apresenta graves consequências clínicas e dificulta o diagnóstico da falha. Este estudo propõe e valida um protocolo estruturado de engenharia reversa para investigar fraturas distais in vivo de hastes femorais cimentadas e não modulares, com ênfase nos fatores relacionados ao paciente. A investigação analisa três casos clínicos de hastes fraturadas, removidas durante cirurgias de revisão no Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia e avaliadas no Centro Nacional de Análise de Explantes. Inicialmente, a análise de explantes examinou informações clínicas, características macroscópicas e fractográficas, composição química, tamanho de grão e propriedades mecânicas estimadas. Os danos nas superfícies de fratura impediram a identificação conclusiva de características macroscópicas de fadiga; entretanto, os resultados excluíram causas relacionadas ao material, pois todos os implantes atendiam às especificações aplicáveis. Em seguida, um modelo analítico baseado na teoria de vigas de Euler?Bernoulli representou cada haste. As seções transversais específicas de cada paciente foram reconstruídas no nível da fratura a partir dos contornos digitalizados dos explantes e de modelos geométricos de referência. Um modelo musculoesquelético estimou as forças fisiológicas de contato do quadril, transformadas para um sistema de coordenadas da haste definido pelos ângulos de varo?valgo, anteversão e curvatura sagital. As distribuições de tensão mostraram que o carregamento combinado representou de forma mais consistente o cenário fisiológico e permitiu identificar possíveis regiões de iniciação da trinca. Por fim, modelos de elementos finitos específicos de cada paciente representaram os sistemas fêmur?implante. Radiografias contralaterais subsidiaram a reconstrução femoral sob hipóteses de simetria e segundo protocolos derivados da Functional Bone Stock Classification. Modelos adicionais incorporaram perda óssea proximal progressiva com base na Femoral Defect Classification e receberam forças articulares e musculares estimadas pela modelagem musculoesquelética. As simulações quantificaram tensões normais, cisalhantes e principais, além de indicadores de fadiga. Os sistemas fêmur?haste íntegros não reproduziram as condições de fratura observadas clinicamente. Em contraste, a perda óssea proximal deslocou as regiões críticas de tração para a porção distal da haste e produziu distribuições de tensão compatíveis com as superfícies de fratura. Os modelos analítico e numérico apresentaram localização consistente das tensões, enquanto as comparações com radiografias clínicas e observações experimentais sustentaram um mecanismo de falha por fadiga sob condições específicas de cada paciente. Os resultados identificam a combinação entre perda óssea proximal e aumento do carregamento mecânico como principal contribuinte para a falha e o alinhamento biomecânico como fator secundário que afeta as tensões críticas. As análises de fadiga indicam ainda que condições de sobrecarga provavelmente foram necessárias para reproduzir os tempos de fratura observados. Portanto, a fratura distal decorre da interação de múltiplos fatores biomecânicos específicos do paciente, e não de um mecanismo isolado. O protocolo proposto amplia a análise convencional de explantes ao integrar modelagem analítica e numérica, fornecendo uma estrutura reprodutível para investigação de falhas, avaliação de projetos e análise biomecânica clinicamente relevante.; Abstract: Total hip arthroplasty (THA) is one of the most widely performed orthopedic procedures worldwide, and the numbers of both primary and revision surgeries continue to increase. Although femoral stem fracture is rare, its occurrence in primary non-modular stems has severe clinical consequences and complicates failure diagnosis. This study proposes and validates a structured reverse-engineering protocol for investigating in vivo distal fractures of cemented, non-modular femoral stems, with particular emphasis on patient-related factors. The investigation examines three clinical cases involving fractured femoral stems retrieved during revision surgeries at the Instituto Nacional de Traumatologia e Ortopedia and subsequently analyzed at the Centro Nacional de Análise de Explantes. First, retrieval analysis evaluated clinical information, macroscopic and fractographic features, chemical composition, grain size, and estimated mechanical properties. Damage to the fracture surfaces prevented the conclusive identification of macroscopic fatigue features; however, the findings excluded material-related causes because all implants complied with the applicable material specifications. Next, an analytical model based on Euler?Bernoulli beam theory represented each femoral stem. Patient-specific cross-sectional geometries at the fracture level were reconstructed from digitized contours of the retrieved stems and reference computer-aided design models. Discretized formulations determined the cross-sectional area, centroid, and moments of inertia. A musculoskeletal model estimated physiological hip contact forces, which were transformed into a stem-based coordinate system defined by the varus?valgus, anteversion, and sagittal bowing angles. Stress distributions under combined loading and pure bending showed that combined loading provided the most mechanically consistent representation of the physiological fracture scenario and enabled the identification of potential crack-initiation regions. Finally, patient-specific finite element models represented the femur?implant systems. Contralateral radiographs supported femoral reconstruction under symmetry assumptions and according to measurement protocols derived from the Functional Bone Stock Classification. The models included cortical bone, trabecular bone, bone cement, and the femoral stem within a consistent local coordinate system. Additional models incorporated progressive proximal bone loss based on the Femoral Defect Classification, while musculoskeletal modeling provided physiological joint and muscle forces. The numerical simulations quantified normal, shear, principal, and fatigue-related stresses. Intact femur?stem systems did not reproduce the clinically observed fracture conditions. In contrast, proximal bone loss shifted the critical tensile regions toward the distal stem and produced stress distributions consistent with the retrieved fracture surfaces. The analytical and finite element models showed consistent stress localization at the fracture region, while comparisons with clinical radiographs and experimental observations supported a fatigue-driven failure mechanism under patient-specific conditions. The results identify the combined effects of proximal bone loss and increased mechanical loading as the primary contributors to failure and biomechanical alignment as a secondary factor affecting critical stress magnitudes. Fatigue analyses further indicate that overload-related conditions were likely necessary to reproduce the observed fracture times. These findings show that distal stem fracture arises from the interaction of multiple patient-specific biomechanical factors rather than from a single isolated mechanism. The proposed protocol extends conventional retrieval analysis by integrating analytical and numerical modeling and provides a reproducible framework for implant failure investigation, design evaluation, and clinically relevant biomechanical assessment. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/277152 Avaliação experimental do desempenho de compressores scroll sob condições de injeção de vapor Theisges, Augusto Broering Amplamente utilizados em aplicações de refrigeração e bombas de calor, compressores scroll são fundamentais no desempenho desses sistemas. Devido ao seu princípio de funcionamento, permitem a aplicação de técnicas avançadas, como a injeção de vapor, para o aumento da sua capacidade e da sua eficiência energética. Esta dissertação apresenta a caracterização experimental do desempenho de compressores scroll, com ênfase na análise termodinâmica e nos efeitos da injeção de vapor sobre parâmetros operacionais e de eficiência. Para a realização dos experimentos, um calorímetro de ciclo quente foi modificado a fim de permitir testes com injeção de vapor, incluindo o controle independente da pressão e do superaquecimento do vapor injetado. Adicionalmente, um compressor scroll comercial foi instrumentado com sensores de pressão posicionados ao longo da câmara de compressão, viabilizando a medição direta de seu diagrama pressão- volume (p-V). Inicialmente, ensaios de referência foram conduzidos para obtenção do diagrama p-V do compressor operando sem injeção de vapor, em diferentes condições de operação. A partir desses dados, determinaram-se parâmetros fundamentais de desempenho termodinâmico, como potência indicada e eficiência isentrópica, além das perdas associadas ao processo de descarga e dos fenômenos de sobrecompressão e subcompressão. Na sequência, testes com injeção de vapor foram realizados, variando-se a pressão de injeção e o superaquecimento do vapor injetado. Durante esses experimentos, mediram-se a potência consumida pelo motor do compressor, a vazão mássica de refrigerante injetada e a vazão mássica total do compressor, correspondente à soma das vazões admitidas pelos processos de sucção e injeção. Temperaturas também foram medidas em diferentes pontos do sistema, incluindo a sucção, a descarga, o ponto de injeção e a carcaça do compressor. A partir dos resultados, avaliaram-se parâmetros de interesse prático para sistemas de refrigeração, como a temperatura de descarga, que afeta a confiabilidade e a vida útil do compressor, a capacidade de refrigeração e o coeficiente de desempenho (COP). Os resultados demostram que a instrumentação empregada e o calorímetro modificado são adequados para a análise detalhada do desempenho do compressor scroll, sendo capazes de emular condições reais de injeção de vapor com elevado grau de controle e repetibilidade. Na condição de baixa pressão de evaporação (LBP) a injeção de vapor proporcionou ganhos de até 27% em capacidade e de até 13% em COP. Na condição de média pressão de evaporação (MBP) foram observados ganhos menores de capacidade, entre 12 e 18%, sem variação significativa do COP. A injeção de vapor também reduziu a temperatura de descarga em todas as condições avaliadas em relação à operação sem injeção, sendo esses efeitos mais significativo em condições de maior vazão de vapor injetado.; Abstract: Widely used in refrigeration and heat pump applications, scroll compressors are key components for the performance of these systems. Due to their operating principle, they enable the application of advanced techniques, such as vapor injection, to increase the energy efficiency of the equipment in which they are used. This dissertation presents an experimental characterization of scroll compressor performance, emphasizing thermodynamic analysis and the effects of vapor injection on operational and efficiency parameters. To conduct the experiments, a conventional hot-gas cycle calorimeter was modified to allow tests with vapor injection, including independent control of both pressure and superheat of the injected vapor. Additionally, a commercial scroll compressor was instrumented with pressure sensors positioned along the compression chamber, enabling direct measurement of its pressure-volume (p-V) diagram. Initially, baseline tests were conducted under various operating conditions to obtain the p-V diagram of the compressor operating without vapor injection. From these data, key thermodynamic performance parameters were determined, such as indicated power, isentropic efficiency, loss effects in the discharge process, and refrigerant overcompression and undercompression phenomena. Subsequently, tests with vapor injection were performed by varying the injection pressure and the superheat of the injected vapor. During these experiments, measurements were taken for compressor motor power consumption, injected refrigerant mass flow rate, and total compressor mass flow rate, corresponding to the sum of the mass flow rates admitted through the suction and injection processes, were measured. Temperatures were also measured at various points in the system, including the suction line, discharge line, injection port, and compressor shell. Based on the results, parameters of practical interest for refrigeration systems were evaluated, including the discharge temperature, which affects compressor reliability and service life, cooling capacity and coefficient of performance (COP). The results indicate that the instrumentation and the modified calorimeter are well-suited for detailed analysis of the scroll compressor performance and capable of emulating actual vapor-injection conditions with a high degree of control and repeatability. Under low- back-pressure (LBP) conditions, vapor injection provided increases of up to 27% in cooling capacity and up to 13% in COP. Under medium-back-pressure (MBP) conditions, smaller increases in cooling capacity, between 12% and 18%, were observed, with no significant change in COP. Vapor injection also reduced the discharge temperature under all evaluated conditions compared with operation without injection, with this effect becoming more pronounced at higher injected-vapor mass flow rates. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2026. 2026-01-01T00:00:00Z